Wie verborgene Symmetrien und schwache Wechselwirkungen Neutrinos und dunkle Materie beeinflussen
Das über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahme unterstützte Projekt HIDDeN(öffnet in neuem Fenster) wollte aufdecken, wie die Natur auf ihrer grundlegendsten Ebene funktioniert. Die Forschung konzentrierte sich auf die unsichtbaren Bausteine des Universums – Neutrinos und dunkle Materie – und beleuchtete verborgene Symmetrien/Asymmetrien, die diese Teilchen steuern. „Die ultimative Mission von HIDDeN bestand darin, verborgene Aspekte des Universums ans Tageslicht zu bringen – warum Neutrinos Masse haben, was dunkle Materie ist und das Ungleichgewicht zwischen Baryonen (Materie) und Antibaryonen (Antimaterie). Diese Entdeckungen könnten die Grundlage für eine neue, erweiterte Version des Standardmodells bilden“, bemerkt Projektkoordinatorin Silvia Pascoli.
Die Rolle von Neutrinos in kosmischen Rätseln
HIDDeN beteiligte sich maßgeblich an den weltweiten Bemühungen, herauszufinden, wie Neutrinos mit neuer Physik in Verbindung stehen könnten. Es trug zu wichtigen Experimenten bei, bei denen die Neutrinomassen, die Änderung ihrer Art (Mischung) und die Unterschiede zwischen Neutrinos und Antineutrinos (CP-Verletzung) untersucht wurden – Faktoren, die erklären könnten, warum das Universum mehr Materie als Antimaterie enthält. Auch bei der Suche nach neutrinolosen Doppelbetazerfällen spielte HIDDeN eine zentrale Rolle. Dabei sollte es zeigen, ob Neutrinos ihre eigenen Antiteilchen sind. „Wenn dies bewiesen werden könnte, würde dies eine grundlegende Regel namens Leptonenzahlerhaltung brechen und den Forschenden helfen zu verstehen, wie Neutrinos ihre Masse erhalten“, erklärt Pascoli. „Wir untersuchten Erweiterungen des Standardmodells, um Neutrinomassen zu berücksichtigen. Dabei konzentrierten wir uns auf verborgene Symmetrien und Verbindungen zu anderen offenen Problemen in der Physik“, bemerkt Pascoli. „Darüber hinaus analysierten wir experimentelle Daten, um die Einschränkungen der Neutrino-Oszillationsparameter zu verfeinern und so neue Erkenntnisse über Neutrinomassen und Neutrinomischung zu gewinnen.“ Zudem aktualisierte das Team die Beschränkungen für schwere und sehr leichte sterile Neutrinos und untersuchte, inwieweit Neutrinos eine Rolle als Portal zur Physik des dunklen Sektors übernehmen könnten.
Neue Kandidaten der dunklen Materie
Weitere bedeutende Fortschritte erzielte HIDDeN bei der Suche nach dunkler Materie. Die direkte Suche nach dieser nicht nachweisbaren Masse mit herkömmlichen Mitteln ist der Beginn einer neuen Ära – mit der Entwicklung von Xenon-Detektoren im Tonnenmaßstab, bei der HIDDeN bedeutend mitwirkte. „Während der Schwerpunkt ehemals auf schwach wechselwirkenden massiven Teilchen lag, verlagerte sich die Aufmerksamkeit aufgrund strenger experimenteller Einschränkungen auf andere Kandidaten für Dunkle Materie – in einem Spektrum unterschiedlicher Massenskalen“, erläutert Pascoli. „So gewinnt zum Beispiel die dunkle Materie der Axionen an Interesse, und neue Experimente dürften die Empfindlichkeit deutlich verbessern.“ Darüber hinaus werden Modelle mit verborgenen Wechselwirkungen oder „eingefrorener“ dunkler Materie, die auf extrem schwachen Wechselwirkungen beruhen, aktiv erforscht. „Wir schlugen neue Erklärungen für die Häufigkeit dunkler Materie unter Verwendung von Axionen und einer fortgeschrittenen effektiven Feldtheorie für axionähnliche Teilchen vor, um eine bessere Interpretation experimenteller Daten und die Erkennung neuer Signale zu ermöglichen“, fügt Pascoli hinzu. Darüber hinaus untersuchten die Forschenden, ob Wechselwirkungen schwach wechselwirkender massiver Teilchen einen Gravitationsursprung haben könnten, und verfeinerten die Einschränkungen für Modelle der dunklen Materie, die schwach wechselwirkenden massiven Teilchen-ähneln.
Collider sucht nach verborgenen Teilchen
HIDDeN erweiterte seinen Fokus um die Suche nach Teilchenbeschleunigern und befasste sich mit neuen physikalischen Phänomenen im Zusammenhang mit Neutrinomassen, dem starken CP-Problem und dunkler Materie. Das Team optimierte Analysen, um schwach wechselwirkende massive Teilchen unterhalb der TeV-Skala zu erkennen, die aufgrund ihrer langen Lebensdauer und subtilen Signale oft übersehen werden. Auch die verschobene Signalsuche wurde erforscht, während leichtere Kandidaten schwach wechselwirkender massiver Teilchen, darunter Axionen, dunkle Photonen und schwere sterile Neutrinos, ebenfalls durch astrophysikalische und kosmologische Beobachtungen erkundet wurden. „Collider sind für die Erforschung der hochskaligen Physik von entscheidender Bedeutung. Effektive Feldtheorie-Werkzeuge wie SMEFT unterstützen die Analyse von Abweichungen vom Standardmodell, wie etwa Flavour-Anomalien, während Collider schwach wechselwirkende massive Teilchen auf niedrigeren Skalen direkt erzeugen können. Somit hat HIDDeN sowohl theoretische als auch experimentelle Ansätze zur Enthüllung dieser schwer fassbaren Teilchen vorangetrieben“, so Pascoli abschließend.
